SKRIPSI Monitoring Kadar pH Air Berbasis Mikrokontroler Arduino Dengan Tampilan LCD dan Grafik Komputer
Oleh : CHRISTIAN OEI 5103012005
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS KATOLIK WIDYA MANDALA SURABAYA 2017
SKRIPSI Monitoring Kadar pH Air Berbasis Mikrokontroler Arduino Dengan Tampilan LCD dan Grafik Komputer
Diajukan kepada Fakultas Teknik Universitas Katolik Widya Mandala Surabaya untuk memenuhi sebagian persyaratan memperoleh gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Elektro
Oleh : CHRISTIAN OEI 5103012005 JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS KATOLIK WIDYA MANDALA SURABAYA 2017
ii
iii
iv
v
KATA PENGANTAR
Puji Syukur kepada Tuhan Yesus Kristus atas berkat dan karunia-Nya, skripsi
yang
berjudul
Mikrokontroler
Arduino
“Monitoring Dengan
Kadar
Tampilan
pH LCD
Air dan
Berbasis Grafik
Komputer” dapat terselesaikan dengan baik. Adapun maksud dan tujuan skripsi ini adalah untuk memenuhi persyaratan memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Katolik Widya Mandala Surabaya. Pada kesempatan ini diucapkan terima kasih kepada semua pihak atas segala saran, bimbingan, dan dorongan semangat guna terselesaikannya skripsi ini. Untuk itu, sudah sepatutnya diucapkan terima kasih yang sebesar – besarnya kepada: 1.
Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan kesempatan kepada penulis untuk menyelesaikan skripsi ini.
2.
Orang tua, yang telah membiayai, memfasilitasi, mendukung dan mendoakan penulis.
3.
Widya Andyardja, Ph.D dan Lanny Agustine, ST,MT selaku dosen pembimbing yang dengan sabar memberikan arahan dan bimbingan kepada penulis.
4.
Ir. Albert Gunadhi S.T, M.T., IPM
selaku dosen pendamping
akademik yang selalu memberi pencerahan penulis dari awal hingga akhir semester serta selalu memberikan masukan yang berguna bagi penulis. 5.
Yuliati S.Si, M.T., Drs. Peter Rhatodirdjo Angka, M.Kom. dan Ir. Albert Gunadhi S.T, M.T., IPM
vi
selaku dosen penguji yang
memberikan masukan dan saran yang berguna bagi penulis selama pengerjaan skripsi ini. 6.
Teman-teman teknik elektro yang senantiasa memberikan bantuan, dorongan dan semangat agar terselesaikanya skripsi ini. Semoga hasil skripsi ini dapat bermanfaat bagi Jurusan Teknik
Elektro. Sebab selain nilai dan gelar, pengalaman skripsi ini sangat berguna sebagai pengetahuan pribadi dan semoga dapat menambah wawasan bagi pembacanya.
Surabaya, 11 Juli 2017
Christian Oei
vii
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ..........................................................................
i
LEMBAR PERSETUJUAN ...............................................................
iii
LEMBAR PENGESAHAN ................................................................
iv
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ILMIAH DAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH .............................
v
KATA PENGANTAR ........................................................................
vi
DAFTAR ISI ......................................................................................
viii
DAFTAR GAMBAR ..........................................................................
x
DAFTAR TABEL ...............................................................................
xii
ABSTRAK ..........................................................................................
xiv
ABSTRACT .......................................................................................
xv
BAB I PENDAHULUAN .................................................................
1
1.1. Latar Belakang ......................................................................
1
1.2. Tujuan ...................................................................................
2
1.3. Perumusan Masalah ..............................................................
2
1.4. Batasan Masalah ...................................................................
3
1.5. Metodologi Perancangan ......................................................
3
1.6. Sistematika Penulisan ...........................................................
5
BAB II Teori Penunjang .....................................................................
6
2.1. Probe pH Meter ....................................................................
6
2.2. Sensor Suhu DS18B20s ........................................................
13
2.3. Arduino Uno .........................................................................
16
2.4. LCD Alphanumeric ...............................................................
18
2.5. Module ADC (Analog to Digital Converter) ADS1115 ........
20
2.6. Komunikasi I2C ....................................................................
23
viii
2.7. Logo pH Sensor V2.0 ............................................................
29
2.8. Jenis-Jenis Kalibrasi pH Meter ..............................................
30
BAB III PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT .................
33
3.1. Pengantar Perancangan Sistem .............................................
33
3.2. Perancangan Perangkat Keras ...............................................
35
3.2.1. Rangkaian Interkoneksi Arduino Uno .........................
36
3.2.2. Rangkaian Logo pH sensor V2.0 .................................
37
3.2.3. Rangkaian ADS1115 ...................................................
38
3.2.4. Rangkaian Tombol Kalibrasi .......................................
39
3.2.5. Rangkaian DS18B20s ..................................................
40
3.2.6. Sensor pH meter ..........................................................
40
3.2.7. Rangkaian LCD Alphanumeric ...................................
41
3.3. Perancangan Perangkat Lunak ..............................................
41
3.3.1. Perancangan Perangkat Lunak pada Arduino Uno ......
42
3.3.1. Perancangan Perangkat Lunak pada Komputer ...........
44
BAB IV PENGUKURAN DAN PENGUJIAN ALAT ......................
48
4.1. Pengujian Perangkat Keras ...................................................
48
4.1.1. Pengukuran dan Pengujian RPS pH Meter ..................
48
4.1.2. Pengujian Sistem ATC (Automatic Temperature Compensation) Pada Arduino Uno ..............................
51
4.2. Pengujian Alat dengan Pembanding ......................................
52
4.2.1. Pengujian Module Sensor Suhu DS18B20s ................
53
4.2.2. Pengujian Alat secara Menyeluruh dengan Pembanding pH Meter Toledo ................................................
55
4.3. Pengujian Efek Perubahan Suhu Terhadap pH Larutan ........
58
4.4. Tampilan Hasil Pengukuran pada Komputer dan Contoh Data Loger .............................................................................
62
BAB V PENUTUP .............................................................................
64
ix
5.1. Kesimpulan............................................................................
64
5.2. Saran ......................................................................................
64
DAFTAR PUSTAKA .........................................................................
65
LAMPIRAN ........................................................................................
66
x
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1
Konstruksi pH meter .................................................
6
Gambar 2.2
Simulasi terjadinya pengukuran pH suatu zat ...........
7
Gambar 2.3
Kurva perubahan pH terhadap beda potensial pada Output electrode kaca dan dipengaruhi suhu .............
9
Gambar 2.4
Ilustrasi electrode pH meter referensi ........................
11
Gambar 2.5
Model cara pengukuran nilai pH larutan ....................
11
Gambar 2.6
Sensor suhu DS18B20s, (a) Diagram blok, (b) bentuk fisik ..........................................................
Gambar 2.7
14
(a). Tampilan Arduino Uno dan penjelasan I/O Board, (b).V Configuration pin ATmega328P ...........
19
Gambar 2.8
LCD Alphanumeric 2 X16 .........................................
20
Gambar 2.9
Bentuk fisik dan tata letak pin ADS1115 ...................
21
Gambar 2.10 Diagram blok ADS1115 .............................................
21
Gambar 2.11 Cara memberikan pengalamatan pada ADS1115 .......
22
Gambar 2.12 Pemasangan resistor Pull-Up .....................................
24
2
Gambar 2.13 Koneksi master dan slave pada jalur I C .................... 2
25
Gambar 2.14 Start dan stop sequence pada komunikasi I C ............
26
Gambar 2.15 Proses komunikasi berhenti antar device ....................
27
Gambar 2.16 Pengiriman alamat perangkat slave pada sebuah 2
sequence protocol I C ................................................
28
Gambar 2.17 Bentuk fisik logo pH sensor V2.0 ..............................
29
Gambar 3.1
Diagram blok alat .......................................................
33
Gambar 3.2
Antarmuka Arduino Uno dengan input dan output-nya...................................................................
36
Gambar 3.3
Skematik module Logo pH sensor V2.0 .....................
38
Gambar 3.4
Skematik ADS1115 ....................................................
38
xi
Gambar 3.5
Tombol kalibrasi ........................................................
39
Gambar 3.6
Interkoneksi DS18B20s dengan Arduino Uno ...........
40
Gambar 3.7
Bentuk fisik sensor pHmeter ......................................
40
Gambar 3.8
Rangkaian LCD alphanumeric ...................................
41
Gambar 3.9
Flowchart Software Arduino Uno ..............................
42
Gambar 3.10 Flowchart Software tampilan Komputer ....................
44
Gambar 3.11 Tampilan monitor Komputer ......................................
45
Gambar 3.12 Contoh data yang disimpan dalam format txt .............
47
Gambar 4.1
Diagram blok pengukuran RPS pH meter ..................
49
Gambar 4.2
Grafik perbedaan slope secara teori dan pengukuran .
52
Gambar 4.3
Waterbath Memmert ..................................................
53
Gambar 4.4
pH meter Toledo.........................................................
53
Gambar 4.5
Posisi sensor waterbath dan DS18B20s .....................
54
Gambar 4.6
Grafik perbedaan suhu Pt-100 dan DS18B20s ...........
55
Gambar 4.7
Bentuk sensor Toledo .................................................
56
Gambar 4.8
Grafik perubahan suhu terhadap pH pada cuka makan .........................................................................
Gambar 4.9
59
Grafik perubahan suhu terhadap pH pada larutan cuka makan .................................................................
60
Gambar 4.10 Grafik perubahan suhu terhadap pH pada larutan Dengan pH 8,33..........................................................
61
Gambar 4.11 Kotak menu setup .......................................................
62
Gambar 4.12 Grafik tampilan pada komputer ..................................
63
Gambar 4.13 Contoh data yang disimpan dalam format txt .............
63
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1
Perubahan suhu terhadap nilai pH larutan........................
10
Tabel 2.2
Nilai slope terhadap perubahan suhu ...............................
13
Tabel 2.3
Keluaran biner DS18B20s sebagai fungsi suhu ...............
14
Tabel 2.4
Detail spesifikasi Arduino Uno ........................................
18
Tabel 2.5
Konfigurasi Pin LCD Alphanumeric 2 x 16 .....................
19
Tabel 3.1
Fungsi-fungsi PIN Arduino Uno ......................................
37
Tabel 3.2
Penjelasan bagian-bagian tampilan pada PC ....................
45
Tabel 4.1
Pengukuran rangkaian RPS pH meter ..............................
50
Tabel 4.2
Tabel pengaruh suhu terhadap slope pada 177.1 mV (pH 4 250C) ......................................................................
Tabel 4.3
51
Data hasil pengukuran suhu dengan pembanding waterbath .........................................................................
54
Tabel 4.4
Pengukuran pertama pH dengan pH meter pembanding ..
56
Tabel 4.5
Pengukuran kedua pH dengan pH meter pembanding .....
57
Tabel 4.6
Pengukuran ketiga pH dengan pH meter pembanding .....
58
Tabel 4.7
Perubahan nilai pH terhadap suhu pada cuka makan ......
59
Tabel 4.8
Perubahan nilai pH terhadap suhu pada larutan cuka Makan ..............................................................................
Tabel 4.9
60
Perubahan nilai pH terhadap suhu pada larutan kimia dengan pH 8,33 ................................................................
xiii
60
ABSTRAK pH meter yang mampu melakukan kalibrasi otomatis dengan ketelitian lebih tinggi sangat mungkin dilakukan dengan tersedianya mikrokontroler dengan fitur yang makin kompleks. Pada penelitian ini, pHmeter berbasiskan Arduino Uno yang telah dilengkapi ADC internal pada chip mikrokontrolernya dengan resolusi hingga 16 bit. Rentang pH yang diukur adalah pH 4 sampai 10, disesuaikan dengan tujuan aplikasi, dengan error pengukuran pH sebesar 1,24%. Pengukuran pH juga telah terkompensasi suhu, dengan error respon alat terhadap perubahan suhu hanya sebesar 0,67%.
Tersedianya jalur komunikasi serial juga
memungkinkan agar data pengukuran dikirim ke komputer untuk tujuan lanjut, seperti menampilkan grafik perubahan pH terhadap suhu dan waktu, untuk tujuan pemantauan secara kontinu. Kata Kunci: pH meter, mikrokontroler, kalibrasi otomatis, ketelitian, suhu
xiv
ABSTRACT PH meter capable of performing automatic calibration with higher accuracy is possible with the availability of microcontrollers with increasingly complex features. In this study, pHmeter based on Arduino Uno which has been equipped with internal ADC on its microcontroller chip with resolution up to 16 bits. The pH range measured was pH 4 to 10, adjusted for the purpose of application, with a pH measurement error of 1.24%. The pH measurements have also been temperature compensated, with the tool's error response to the temperature change of only 0.67%. The availability of serial communication lines also enables measurement data to be sent to the computer for advanced purposes, such as displaying pH change graphs for temperature and time, for continuous monitoring purposes.
Keywords: pHmeter, microcontroller, automatic calibration, accuracy, temperature
xv
